容柵技術的電子樹皮測量儀的設計與精度研究

石堅

摘 要：對樹皮厚度進行分析之后，能對病蟲害起到防治作用，也能用于樹林生長以及遺傳變異等情況的判定。以往的樹皮厚度測量方法工作效率不高，且會對樹皮造成較為嚴重的損傷，需要研制新的測量工具適應現實測量情況。

關鍵詞：容柵技術；電子；樹皮測量儀

樹皮對樹體起到保護作用，檢測樹皮厚度對樹木的整個生長過程起到重要作用，不僅能對樹木是否發生病蟲害進行判定，也可分析樹木中存在的能創造經濟效益的成分。我國使用手工卡尺進行測量，誤差較大，也會讓樹皮遭受損傷，研究新型測量工具勢在必行。

1 容柵技術的電子樹皮測量儀簡介和工作機理

1.1 容柵傳感器

此類傳感器是以特殊類型的電容式傳感器為參照，使用先進技術研發而成的傳感器，能在多極電容的支持下，實現平均效應，并集中了電容式傳感器的優勢，電路以閉環反饋等形式進行設計，有效應對寄生電容的干擾，讓測量精度達到新的水平。與光柵等類型的傳感器相比，其具有外形小、內部構成不復雜、精準度和分辨率均較高的特點，能適應各種環境，在電子測量領域中發揮著重要作用[1]。

1.2 工作原理

此感應器和電容兩極板的間隙與電常數等存在關聯，在一定條件下，電容變化量與耦合面積的變化量保持正相關。

2 容柵技術的電子樹皮測量儀的設計

2.1 設備整體框架

傳感器的左側是十字插刀，與動柵相連，動柵連接在容柵傳感器上，單片機同時與容柵傳感器和液晶相連，液晶又和容柵傳感器連接[2]。動柵、液晶等部分可直接進行選型。在對樹皮厚度進行測量時，操作的關鍵點是對單片機進行控制，傳感器對電路和機械部件實施調整也是測試過程中的重點[3]。

2.2 設備機械構造

測量儀包括測尺、限位套和手柄等部分。在測量時，讓需要測試的一側和手柄連接在一起，將另外一側連接在插刀上。測尺可以分為有刻度和無刻度兩個部分，前者安置了顯示屏，后者則在外部設置了彈簧。彈簧的一側連接在手柄之上，另一側則和電子顯示屏連接在一起。在電子顯示屏的左側設置擋塊，右側則有限位套，將最前側套在插刀的刀刃部位。顯示屏的右側和有刻度部分的零刻度線保持一致，顯示屏數據顯示部分包括尺身、定柵、動柵、液晶等。

2.3 設備信號傳輸機制

為達到測距的目的，需要對定柵和動柵進行如下設定：將定柵節與節之間的距離設定在5.08mm，動柵則將此設定為0.635mm，定柵的節距是動柵的8倍，具體而言就是8節動柵相當于1節定柵，但單個定柵節距中有接近50%屬于屏蔽板，如此僅有4節接收板能和定柵結合在一起。接收板長度為25.4mm，僅能和5節定柵結合在一起。在動柵上設定了6組極板，每組的工作狀態保持一致，則挑選其中的1組開展分析。1組之中有8塊發射極板，只要驅動電路能發送方波等信號，即可收到。按照45°的相位漸次遞增。在一定位置會出現寬度較大的凸波，也會在某處出現寬度較大的凹波。

3 容柵技術的電子樹皮測量儀實驗檢驗

3.1 所得數據

需要對設備測量的精度和可靠性進行判定，將此種測量方式和以往的游標卡尺樹皮測量方法獲得的數據進行對比。為了起到對比效果，每個樹種各選擇10棵進行測量，在對馬占相思、非洲楝和面包樹進行測量時，使用電子厚度儀和游標卡尺測得的各組結果分別如下（表1）。

3.2 結果和精度分析

精確度是樣本進行反復測定后得到的結果的重復性和集中性的體現。對上述數據實施分析之后發現，每個樹種在使用電子厚度儀器進行測量后，得到的厚度結果的偏差均比使用游標卡尺獲得的結果低，標準偏差的水平越低，說明與平均值之間的偏差就越小。每個樹種的測量范圍保持一致，但由于測量工具存在誤差，造成測量的平均值存在差異。在不同測量限制條件下，獲得的數據對標準差造成較大的影響，使用變異系數則能較好地解決這個問題。結果表明，使用電子測量工具獲得精度更高。對數據進行分析之后發現，電子厚度測試儀獲得的數據波動幅度較小，數據分布集中性較佳，在偶然情況下會出現誤差，所測的結果與平均值的誤差處于較低水平。而且新設計的電子測量工具在測量時間上比傳統方法少，測量效率大幅度提升。

4 總結

根據容柵傳感器的原理，設計一個專用于樹皮厚度測量的電子工具。為了判定設計工具的使用效果，開展專項實驗，將獲得的結果與傳統的測量方法進行對比，發現新設計的電子測量工具在精度上有更好的表現。

參考文獻

[1]張燕，蔡維，史留勇.基于容柵傳感機理的橡膠樹皮厚度測量儀特性實驗分析[J].中國農機化學報，2015，36（6）：235-237.

[2]張燕，蔡維，史留勇.基于容柵技術的橡膠樹樹皮厚度測量裝置研制[J].湖北農業科學，2015，54（13）：3258-3261.

[3]蘇英樟，徐文兵，張果麗，等.林區測量中全站儀無棱鏡測距精度研究[J].浙江農林大學學報，2015，32（3）：376-383.

（作者單位：桂林市晶瑞傳感技術有限公司）